Streszczenie W 13 puapki jonowe siy Kulomba puapki
Streszczenie W 13 • pułapki jonowe: – siły Kulomba pułapki Penninga, Paula pojedyncze jony mogą być pułapkowane i oglądane kontrolowanie pojedynczych atomów I zastosowanie w komputerach kwantowych? czas przeskoki kwantowe (obserw. na żywo emisji/abs. pojed. fotonów w pojed. atomach) 369 nm hłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów siły optyczne: a) spontaniczne – ciśnienie światła (rozpraszają en. chłodzą) b) dipolowe (reaktywne – nie chłodzą ale pułapkują) spont. siły wspomagane przez niejednorodne pole magnetyczne Pułapka Magnetooptyczna (MOT) 2017 Atomowa JZ wg. WG 1/20 467 nm
N 106 at. Rb 85, T 100 K atom 30 cm/sek 2017 Atomowa JZ wg. WG @ T 0, 0001 K Pomiar temperatury: 0 czas przelotu 2/20
Ograniczenia ? A) temperatury chłodzenie - p = Nħk. L średnia prędkość = 0 absorpcja - em. spontaniczna grzanie dyfuzja pędu k. BTD=D/k=ħ /2 dyspersja prędkości 0 granica Dopplera (Na: 240 K, Rb: 140 K) B) gęstości atomów uwięzienie promieniowania kabs kem 2017 Atomowa JZ wg. WG max = 1011 – 1012 at/cm 3 3/20
Siły dipolowe (reaktywne – nie chłodzą!) pole E polaryzacja ośrodka: Dind= E oddz. D • E = - E 2 I(r) adresowanie q-bitów ? I(r) r U(r) >< 0 r >0 U(r) <0 0 k. BT 2017 Atomowa JZ wg. WG 0 4/20
Jeszcze niższe temperatury niż w MOT? emisja spont. ~100 - 10 K limit „ciemne pułapki” – bez światła magnetyczne U=- B optyczne U=-D E siły dipolowe nie chłodzą! odparowanie 100 K 300 K MOT 2017 Atomowa JZ wg. WG 100 n. K MT 5/20
Nie można osiągnąć Zera Absolutnego ! III zasada termodynamiki możemy się tylko zbliżać: 300 K 30 cm 100 K 10 cm 1 K 1 mm 2017 Atomowa JZ wg. WG 6/20
Obserwacja – diagnostyka: kondensacja Bosego –Einsteina 50 n. K kondensat Bosego-Einsteina (1924 -25) • E. Cornell & C. Wieman (JILA) Rb 87 • R. Hulet (Rice) 200 n. K 400 n. K 1995 - Li 7 Rb 87 • W. Ketterle (MIT) Na 23 bozony (F=0, 1, 2, . . . ) Charakterystyki kondensatu: • wąskie maksimum w rozkładzie prędkości • ampl. maksimum gdy T • kształt chmury odtwarza kształt studni potencjału 2017 Atomowa JZ wg. WG Nobel 2001 7/20
Kondensat B-E - początki 1924 Satyendranath Bose wyprowadził prawo Plancka z zasad fiz. statystycznej 1925 Albert Einstein uogólnił do cząstek z masą, przejście fazowe w niskich temp. Kondensacja Bosego-Einsteina (BEC) From a certain temperature on, the molecules condense without attractive forces, that is, they accumulate at zero velocity. The theory is pretty but is there also some truth to it? A. Einstein 2017 Atomowa JZ wg. WG 8/20
Kondensacja 1 o rozkład populacji dla bozonów: = energia, = pot. chem. , = 1/k. BT normalizacja liczby cząstek: ( = gęstość stanów energ. ) poniżej temp. krytycznej: całka << N, większość cząstek w stanie podst. 2017 Atomowa JZ wg. WG Ketterle, PRL 77, 416 (1996) 9/20
Kondensacja 2 o Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie fale materii: (Nobel 1929) gęstość n, śr. odl. cząstek: n -1/3 degeneracja kwantowa, gdy Rzędy wielkości: gaz atomowy @ 900 K, n 1016 cm-3, n -1/3 10 -7 m, d. B 10 -12 m d. B << n -1/3 104 atomów w typowej pułapce: Tc ~ 100 n. K d. B n -1/3 • cały atom – bozon lub fermion (całkowity kręt! – np. F) • atomy w pułapce: - poziomy energetyczne skwantowane - „efekt wysoko-temperaturowy”: 2017 Atomowa JZ wg. WG 10/20
BEC w atomach alkalicznych - główne cechy: • dostępność doświadczalna (chłodzenie, obserwacja) • słabe oddziaływania między atomami ~10 cm zasięg oddz. – 4 cm odl. międzyatomowe -6 • kondensacja w przechłodzonym gazie Ciekły hel kontra gazowy BEC: Hel 4 atomy alkaliczne met. chłodzenia parowanie odparowanie rf liczba atomów 104 106 wielkość próbki [nm] 101 104 temperatura [K] 0, 37 0, 17 · 10 -6 d. B [Å] 30 6 · 104 gęstość [cm-3] 2, 2 · 1022 1014 śr. odległość [nm] 0, 35 100 en. oddziaływania [K] 20 2 · 10 -10 2017 Atomowa JZ wg. WG 11/20
Doświadczenia z BEC: Optyka fal materii ( d. B=h/mv) – Optyka Atomów spójne fale interferencja ”laser atomowy” NIST MPQ MIT 2017 Atomowa JZ wg. WG 12/20
Optyka nieliniowe mieszanie fal: a) świetlnych (nieliniowość ośrodka mat. ) kin = kout in = out b) fal materii (zawsze nieliniowe) BEC 1999 NIST (W. Phillips) & Marek Trippenbach (UW) 2017 Atomowa JZ wg. WG 13/20
Zimne fermiony (F=1/2, 3/2, 5/2, . . . ) nie termalizują (zakaz Pauliego) chłodzenie pośrednie boson/fermion, fermion/fermion 1999 D. Jin (JILA) K 40 2001 R. Hulet (Rice) 2017 Atomowa JZ wg. WG 14/20
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * sieci optyczne: 1 D 3 D * Nadciekłość Wiry: 2017 Atomowa JZ wg. WG 15/20
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Oscylacje Josephsona V 2 V 1 BEC Thermal cloud [LENS – Florencja] 2017 Atomowa JZ wg. WG 16/20
Fizyka ultra-rzadkiej materii skondesowanej : * Przejście fazowe Motta - atomy uwolnione z sieci interferują, gdy spójne - spójność f. falowej kondensatów w różnych węzłach nadprzewodnictwo - spójność niszczy zwiększenie bariery potencjału - proces odwracalny: nadprzewodnik-izolator- nadprzewodnik [MPQ – Garching] 2017 Atomowa JZ wg. WG 17/20
micro – BEC (Garching & Tubingen) 6000 87 Rb atomów czas ładowania 8 s czas chłodzenia 2, 1 s prąd 2 A 2017 Atomowa JZ wg. WG 18/20
“Całkowicie optyczny” kondensat May 2001, M. Chapman (Georgia. Tech) Optyczna pułapka dipolowa U= -D E (światło nierezonansowe, aby uniknąć em. spont. ) różne stany magnetyczne (dośw. Sterna-Gerlacha) 2017 Atomowa JZ wg. WG 19/20
Tematy pytań na egzamin 1. Model Bohra, liczby kwantowe. 2. Stabilność orbit atomowych a relacja nieoznaczoności. 3. Defekt kwantowy, poziomy energetyczne atomów wieloelektronowych. 4. Przybliżenie pola centralnego. 5. Kolejność zapełniania powłok elektronowych, układ okresowy pierwiastków. 6. Efekty wymiany, poziomy energetyczne atomu helu. 7. Struktura subtelna, oddziaływanie spin-orbita, sprzężenie L-S i j-j. 8. Podstawy modelu wektorowego, zastosowanie do ef. Zeemana, czynnik Landego 9. Poprawki relatywistyczne do energii poziomów atomowych. 10. Magnetyzm atomowy, efekty Zeemana i Paschena-Backa, pola pośrednie. 11. Struktura nadsubtelna, efekt izotopowy, ef. Backa-Goudsmita. 12. Atom w polu elektrycznym. 13. Struktura poziomów energetycznych i widma cząsteczek. 14. Przybliżenie dipolowe, reguły wyboru. 15. Stany niestacjonarne, rezonans optyczny, polaryzacja w ef. Zeemana. 16. Doświadczenie Francka-Hertza (jak i po co? ). 17. Doświadczenie Sterna-Gerlacha (jak i po co? ). 18. Doświadczenie Lamba-Retherforda (jak i po co? ). 19. Ograniczenia dokładności pomiarów spektroskopowych i sposoby ich eliminacji. 20. Pompowanie optyczne (podstawy i zastosowania). 21. Efekty interferencji stanów atomowych (przecięcia poziomów energet. , dudnienia kwantowe, prążki Ramseya). 22. Spektroskopia laserowa, nasycenie i selekcja prędkości i ich zastosowania do eliminacji rozszerzenia dopplerowskiego. 23. Pomiar przesunięcia Lamba stanu 1 S (dlaczego i jak? ) 24. Pułapki jonowe (jak i po co? ). 25. Przeskoki kwantowe i ich obserwacja. 26. Siły optyczne, chłodzenie i pułapkowanie neutralnych atomów. 27. Atomy bozonowe i fermionowe w ultra niskich temperaturach. 2017 Atomowa JZ wg. WG 20/20
- Slides: 20